智能焊接裝備物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的研究與設(shè)計(jì)

張志鑫 張波 胡德計(jì)

【摘 要】利用智能聯(lián)網(wǎng)控制器實(shí)現(xiàn)離散分布的焊接工作站的互聯(lián)互通，并對(duì)焊接生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和傳輸；通過焊接裝備物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)焊接數(shù)據(jù)云端存儲(chǔ)與遠(yuǎn)程監(jiān)測、控制，實(shí)現(xiàn)了焊接裝備的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。

【Abstract】The intelligent network controller is used to realize the interconnection of the discrete distributed welding workstation， and the data of welding production process are collected and transmitted. The cloud storage and remote monitoring and controlling of welding data are realized through the IOT platform of welding equipment， and the digitalize， networking and intelligence of welding equipment have been realized.

【關(guān)鍵詞】焊接；智能；物聯(lián)網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)控制器

【Keywords】welding； intelligence； internet of things； network controller

【中圖分類號(hào)】TP277 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2018）05-0182-02

1 引言

焊接裝備是制造業(yè)的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、石化、機(jī)械加工、家電制造等行業(yè)。在焊接生產(chǎn)中焊接過程的工藝參數(shù)控制直接影響到焊接質(zhì)量的好壞。在傳統(tǒng)應(yīng)用中，焊接質(zhì)量是通過穩(wěn)定焊接工藝參數(shù)和焊后檢驗(yàn)來保證的，由于焊接過程存在大量隨機(jī)影響因素，僅通過穩(wěn)定工藝參數(shù)無法完全避免焊接缺陷的產(chǎn)生，實(shí)時(shí)性差，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)焊接缺陷，有缺陷的接頭只能返修或報(bào)廢。特別對(duì)于大量使用電阻焊的場合，亟待解決點(diǎn)焊缺陷在線識(shí)別和質(zhì)量分類等問題，以便減少目前采用的焊后探傷和破壞性抽檢，提高生產(chǎn)率、降低成本。

隨著測量技術(shù)的進(jìn)步以及計(jì)算機(jī)處理能力的提高，焊接過程動(dòng)態(tài)信號(hào)特征采集與顯示受到了焊接行業(yè)的重視。采集焊接過程記錄信息并加以分析逐步成為焊接質(zhì)量控制的一種有力手段。這些記錄數(shù)據(jù)和焊接過程密切相關(guān)，比較重要的參數(shù)包括焊接電流、焊接時(shí)間、焊接壓力、動(dòng)態(tài)電阻、能量等。這些參數(shù)能夠反映焊接過程的完整性及合理性，同時(shí)也能反映影響焊接質(zhì)量的各種因素的變化情況，如母材與電極表面狀態(tài)、臨近焊點(diǎn)的分流、散熱情況、電極電壓波動(dòng)等。截至當(dāng)前，國內(nèi)外新型控制器基本具備了焊接過程數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制能力，但控制系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與外界之間的信息交換，是一個(gè)“信息孤島”。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

近年來制造業(yè)對(duì)其技術(shù)數(shù)據(jù)共享的要求與日俱增。在焊接方案設(shè)計(jì)與評(píng)定，工藝參數(shù)選擇等過程中，工程師們必定要查詢大量的焊接數(shù)據(jù)和焊接標(biāo)準(zhǔn)，雖然國內(nèi)在幾十年的生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)中積累了大量的焊接技術(shù)數(shù)據(jù)，但由于沒有統(tǒng)一的處理與分享機(jī)制，導(dǎo)致其形式各異，再加上區(qū)域限制，一定程度上阻礙了信息的傳播與共享。要滿足焊接控制器數(shù)字信息化要求，實(shí)現(xiàn)整個(gè)企業(yè)，甚至是企業(yè)之間的信息集成與共享，形成綜合焊接數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，需要設(shè)計(jì)出一種能夠在工業(yè)環(huán)境中運(yùn)行，性能可靠、造價(jià)合理的通信系統(tǒng)構(gòu)成工廠底層網(wǎng)絡(luò)。

目前，國內(nèi)外焊接工作者在焊接生產(chǎn)過程管理信息化方面做了大量研究，例如阻焊焊工技術(shù)檔案管理系統(tǒng)、電阻焊焊接工藝專家系統(tǒng)、電阻焊焊接工藝定制系統(tǒng)等，但這些研究還主要集中于獨(dú)立焊機(jī)或車間的生產(chǎn)管理與決策，離焊接裝備的網(wǎng)絡(luò)化還有一定距離，“信息孤島”仍然限制了焊接數(shù)據(jù)發(fā)揮價(jià)值。

能否依托互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過縱向貫通，橫向集成的思路，整合各個(gè)“信息孤島”，構(gòu)成電阻焊焊接數(shù)據(jù)綜合數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘、信息共享，輔助分析等目標(biāo)，為焊接工藝優(yōu)化、焊接質(zhì)量控制以及焊接工藝標(biāo)準(zhǔn)制定提供大數(shù)據(jù)支撐；同時(shí)與企業(yè)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)無縫連接，最終實(shí)現(xiàn)海量焊接數(shù)據(jù)收集、分析、追溯和工藝的網(wǎng)絡(luò)化管理監(jiān)控；通過PC、移動(dòng)終端等設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)及分析結(jié)果快速查看，提高焊接質(zhì)量控制和焊接制造過程的敏捷性等均成為市場的迫切需求。

3 平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

智能焊接裝備物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的建設(shè)目標(biāo)是運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將焊機(jī)等生產(chǎn)設(shè)施接入網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建基于云數(shù)據(jù)管理的網(wǎng)絡(luò)化物理設(shè)備系統(tǒng)，進(jìn)而使生產(chǎn)設(shè)備能夠?qū)⒐ぷ餍畔?、記錄等通過網(wǎng)絡(luò)信息平臺(tái)產(chǎn)生延伸價(jià)值。加快生產(chǎn)制造實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息的感知、傳送和分析，促進(jìn)生產(chǎn)資源的優(yōu)化配置。同時(shí)，利用互聯(lián)網(wǎng)的廣域性和PC及移動(dòng)終端性能的提升，維護(hù)人員在異地就能實(shí)時(shí)了解千里之外焊接控制器現(xiàn)場情況，有助于合理制定檢修計(jì)劃，大幅節(jié)約運(yùn)維資金。

智能焊接裝備物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為三層：焊接站點(diǎn)控制接入層、應(yīng)用服務(wù)提供層和數(shù)據(jù)服務(wù)層。

①焊接站點(diǎn)控制接入層。焊接站點(diǎn)控制接入層由智能焊接裝備智能聯(lián)網(wǎng)控制器、焊接控制系統(tǒng)和焊接機(jī)器人組成。智能焊接裝備智能聯(lián)網(wǎng)控制器是焊接站點(diǎn)控制接入層的核心，負(fù)責(zé)焊接站點(diǎn)工作數(shù)據(jù)的采集、傳輸?shù)皆贫撕驮贫诉h(yuǎn)程控制指令的執(zhí)行?？刂破魍ㄟ^內(nèi)置的可擴(kuò)展的工控協(xié)議庫和焊接控制系統(tǒng)通訊，可以實(shí)現(xiàn)不同類型焊接裝備控制系統(tǒng)的接入。同時(shí)聯(lián)網(wǎng)控制器提供多種物聯(lián)網(wǎng)通訊協(xié)議如TCP/IP、WIFI和4G/3G等將數(shù)據(jù)傳入云端數(shù)據(jù)服務(wù)器，并可接受來自云端的控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接工作站的雙向控制。②應(yīng)用服務(wù)層。應(yīng)用服務(wù)層是基于云端的焊接裝備管理控制系統(tǒng)，將提供基于平臺(tái)網(wǎng)站的瀏覽器管理、基于PC的桌面應(yīng)用程序、基于移動(dòng)WebAPP的管理控制方式，實(shí)現(xiàn)多種形式的焊接裝備數(shù)據(jù)表現(xiàn)和管理控制。③數(shù)據(jù)服務(wù)層。數(shù)據(jù)服務(wù)層包括智能焊接裝備數(shù)據(jù)池和基于數(shù)據(jù)資源的應(yīng)用服務(wù)兩部分。其中焊接裝備數(shù)據(jù)池的數(shù)據(jù)模型由焊接裝備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)和決策數(shù)據(jù)構(gòu)成；應(yīng)用服務(wù)包括大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘、決策支持和數(shù)據(jù)增值服務(wù)等。

4 平臺(tái)研發(fā)技術(shù)

平臺(tái)研發(fā)主要包括智能聯(lián)網(wǎng)控制器和焊接裝備物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)兩大部分，涉及到了硬件系統(tǒng)、嵌入式軟件、云端應(yīng)用軟件等多個(gè)系統(tǒng)，其中：

4.1 智能聯(lián)網(wǎng)控制器

智能聯(lián)網(wǎng)控制器是整個(gè)智能焊接裝備物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的前端采集模塊，主要負(fù)責(zé)與焊接設(shè)備控制系統(tǒng)通訊，采集焊接設(shè)備工作狀態(tài)信息和數(shù)據(jù)，并通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到物聯(lián)平臺(tái)，同時(shí)通過物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)接收各類控制指令，通過設(shè)備控制系統(tǒng)控制焊接設(shè)備的運(yùn)行。聯(lián)網(wǎng)控制器由STM32 F407單片機(jī)核心系統(tǒng)，電源模塊，外圍控制模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，通訊模塊構(gòu)成。

各模塊主要部分的功能如下：主控機(jī)核心單片機(jī)，主要負(fù)責(zé)接收焊接設(shè)備異常工作的報(bào)警信號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理，控制網(wǎng)絡(luò)通信模塊向平臺(tái)發(fā)送信息。單片機(jī)和通信模塊之間通過RS485進(jìn)行雙向通信。通信模塊負(fù)責(zé)向平臺(tái)發(fā)送工作狀態(tài)數(shù)據(jù)和發(fā)送報(bào)警信息，并接收平臺(tái)對(duì)單片機(jī)的控制信息；數(shù)據(jù)采集模塊：主要由模擬電路、電流變送器、電壓變送器以及霍爾電壓傳感器、電流傳感器等構(gòu)成，完成焊接電壓、電流等參數(shù)的檢測，并將獲得的數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)控制系統(tǒng)；外圍控制模塊即繼電保護(hù)模塊，當(dāng)單片機(jī)發(fā)出決策指令后，該模塊的繼電器和斷路器等完成弱電控制強(qiáng)電的工作。

4.2 焊接裝備物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

焊接裝備物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)分為三個(gè)層次來實(shí)現(xiàn)：控制接入層、應(yīng)用服務(wù)提供層和數(shù)據(jù)服務(wù)層。其中控制接入層負(fù)責(zé)智能聯(lián)網(wǎng)控制器的通訊協(xié)議解析和數(shù)據(jù)傳輸；應(yīng)用服務(wù)提供層提供數(shù)據(jù)處理邏輯、數(shù)據(jù)表現(xiàn)和數(shù)據(jù)應(yīng)用；接入層通過應(yīng)用服務(wù)提供層和數(shù)據(jù)服務(wù)層通訊，是焊接設(shè)備工作數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)的處理層；數(shù)據(jù)服務(wù)層是實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和報(bào)警數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理的工作，為整個(gè)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持服務(wù)。應(yīng)用服務(wù)器采用基于Pascal語言的Delphi7開發(fā)工具來實(shí)現(xiàn)，主要實(shí)現(xiàn)焊接裝備管理、焊接規(guī)范管理、焊接裝備狀態(tài)監(jiān)控、焊接數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、歷史數(shù)據(jù)曲線重現(xiàn)、焊機(jī)故障實(shí)時(shí)提醒等功能。后臺(tái)數(shù)據(jù)庫采用MYSQL數(shù)據(jù)庫，主要存儲(chǔ)記錄焊接設(shè)備、焊接記錄、焊接時(shí)間、焊接電流、焊接電壓、報(bào)警閾值等信息。

整個(gè)采用B/S訪問結(jié)構(gòu)，訪問前端采用HTML5技術(shù)研發(fā)實(shí)現(xiàn)，HTML5具有良好的跨平臺(tái)、自適應(yīng)的良好特性，保證用戶可以同時(shí)使用PC瀏覽器、安卓手機(jī)和蘋果手機(jī)等多種終端訪問焊接裝備物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

5 結(jié)語

本研究通過智能聯(lián)網(wǎng)控制器實(shí)現(xiàn)離散分布焊接工作站的互聯(lián)互通，并可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、多機(jī)協(xié)同，自主生產(chǎn)、單點(diǎn)焊接規(guī)范智能匹配、生產(chǎn)質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)節(jié)等主動(dòng)生產(chǎn)行為。同時(shí)，逐步形成包含焊接生產(chǎn)過程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)池，未來可借助數(shù)據(jù)挖掘、人工智能等技術(shù)對(duì)焊接大數(shù)據(jù)進(jìn)行決策分析，為焊接生產(chǎn)過程提供決策支持和數(shù)據(jù)服務(wù)。通過引入互聯(lián)網(wǎng)元素，促進(jìn)傳統(tǒng)焊接企業(yè)向互聯(lián)網(wǎng)+焊接轉(zhuǎn)型。